Meissner-effekten: härledning, kontra flödesplanering, formel och dess tillämpningar

1933 gjorde de tyska fysikerna Robert Ochsenfeld och Walther Meißner en banbrytande upptäckt känd som Meissnereffekten. Deras undersökning involverade mätning av magnetfältsfördelningen kring supraledande prover av tenn och bly. Efter att ha kylt dessa prover under deras supraledande övergångstemperatur och utsatt dem för ett magnetfält, observerade Ochsenfeld och Meißner ett anmärkningsvärt fenomen. Det magnetiska fältet utanför proverna ökade, vilket indikerar utdrivningen av magnetfältet inifrån proverna. Detta fenomen, där en supraledare uppvisar lite eller inget magnetfält inom sig, kallas Meissner-tillståndet. Detta tillstånd är emellertid känsligt för nedbrytning under påverkan av starka magnetfält. Den här artikeln ger en översikt över Meissner-effekten, dess mekanismer och dess praktiska tillämpningar.

Vad är Meissner-effekten?

Meissner-effekten är magnetfältsutdrivningen från en supraledare under dess övergång till supraledande tillstånd närhelst den kyls under en kritisk temperatur. Denna magnetiska fältutdrivning kommer att motstå en närliggande magnet och Meissner-tillståndet kommer att bryta ner när det applicerade magnetfältet är mycket starkt.

Supraledare finns i två klasser baserat på hur nedbrytning sker som typ I och typ II. Typ I är de mest rena elementära supraledarna förutom kolnanorör och niob medan typ II nästan alla är sammansatta och orena supraledare.

Meissner-effekt i supraledare

Närhelst supraledare kyls under en kritisk temperatur driver de ut magnetfältet och låter inte magnetfältet komma in i dem, så detta fenomen inom supraledare är känt som Meissner-effekten.

Närhelst ett supraledande material kyls under sin kritiska temperatur, övergår det till ett supraledande tillstånd, så materialets elektroner bildar par som kallas Cooper parar. Dessa par rör sig utan motstånd genom hela materialet. Samtidigt uppvisar materialet idealisk diamagnetism för att stöta bort magnetiska fält.

Denna repulsion kan få magnetfältslinjerna att böja ungefär supraledaren för att skapa en ytström som exakt upphäver det yttre magnetfältet i materialet, så magnetfältet skjuts effektivt ut från supraledaren och Meissner-effekten uppstår.

Meissner-effektexemplet visas i följande figur. Detta Meissner-tillstånd bryts när magnetfältet ökar utöver ett fast värde och provet beter sig som en normal ledare.

Så detta magnetiska fältvärde bortom vilket supraledaren kommer tillbaka till sitt normala tillstånd är känt som det kritiska magnetfältet. Här beror det kritiska magnetfältsvärdet främst på temperaturen. När temperaturen under den kritiska temperaturen minskar, ökar det kritiska magnetfältsvärdet. Nedanstående Meissner effektgraf visar förändringen inom det kritiska magnetfältet genom temperatur.

Härledning

De två viktiga delar av information som används för att ge en matematisk härledning av Meissnereffekten är; energihushållningsprincipen & huvudrelationen mellan magnetfält samt elektriska strömmar. Elektromotorisk kraft är den genererade spänningen genom en förändring inom magnetiskt flöde genom en sluten krets. EMF eller elektromotorisk kraft baserad på Faradays induktionslag inom en sluten krets är direkt proportionell mot magnetfältets förändringshastighet genom hela kretsen. Således,

e = -dΦ/dt

Genom att använda ovanstående förhållande kan vi dra slutsatsen att närhelst ett material övergår från ett vanligt tillstånd till ett supraledande tillstånd, ett magnetiskt flöde F' e som ursprungligen fanns i materialet bör ändras. Så denna förändring kommer att skapa en elektromotorisk kraft och skapa skärmströmmar på materialytan. Motståndet mot denna förändring inom flödet är det som tvingar Meissner-effekten att skjuta ut det yttre magnetfältet.

Flux Pinning vs Meissner-effekt

Att förstå de viktigaste skillnaderna mellan flux pinning och Meissner-effekten utökar verkligen förståelsen av supraledande fenomen och berättar att supraledning är en rik samverkande kraft och exceptionella förhållanden för materia. Skillnaden mellan Flux Pinning vs Meissner Effect diskuteras nedan.

Paramagnetisk Meissner-effekt i små supraledare

Denna effekt är den mest grundläggande egenskapen hos supraledare och innebär noll resistivitet. För närvarande har flera experiment visat att vissa supraledande prover kan attrahera ett magnetfält som kallas för paramagnetisk Meissner-effekt. Denna effekt är en oscillerande funktion för magnetfältet som ersätter den typiska Meissner-effekten helt enkelt ovanför ett visst fält när ett flertal flödeskvanter fryses i en supraledare.

Det paramagnetiska tillståndet visar sig vara metastabilt och Meissner-tillståndet återställs med externt brus. Så den paramagnetiska Meissner-effekten är associerad med ytsupraledningsförmågan, så den representerar en gemensam supraledareegenskap. Genom att sänka temperaturen minskar det infångade flödet vid ytans kritiska fält i det supraledande locket till en mindre volym genom att tillåta det ytterligare flödet att komma in i ytan.

Ansökningar

De tillämpningar av Meissner-effekten inkluderar följande.

• Detta används i Quantum Levitation eller Quantum Trapping för att utveckla kommande transporttekniker och SQUIDs operation för att mäta subtila magnetiska förändringar.
• Denna effekt används inom magnetisk levitation vilket innebär att en kropp kan hängas upp utan stöd förutom ett magnetfält
• Denna effekts potentiella tillämpningar inkluderar främst; transportfordon som svävar magnetiskt, lågvibrationsfästen, friktionsfria lager, etc.
• Denna effekt används i supraledare för att bilda magnetiska sköldar som skyddar känsliga enheter från magnetisk störning.
• Denna effekt gör det möjligt att tillverka kraftfulla supraledande magneter för magnetisk resonansavbildning och partikelacceleratorapplikationer.
• Detta används inom påverkande områden som vetenskaplig forskning, medicinsk bildbehandling, transport, etc.

Vem upptäckte Seebeck-effekten?

Seebeckeffekten upptäcktes av en tysk fysiker, nämligen 'Thomas Johann Seebeck' år 1821.

Varför är Seebeck-effekten viktig?

Seebeck-effekten är användbar för att mäta temperatur med enorm känslighet och precision för att producera elektrisk kraft för olika applikationer.

Vad är Seebeck-effekten och hur utnyttjas den för att mäta temperaturen?

Seebeck-effekten är en händelse där en temperaturvariation mellan två olika elektriska ledare (eller) halvledare genererar en spänningsskillnad mellan de två ämnena. När värme ges till en av de två ledare (eller) halvledare, och sedan strömmar uppvärmda elektroner till den kallare ledaren (eller) halvledaren. Skillnaden i temperatur bildar en EMF som kallas Seebeck-effekten.

Varför ökar Seebeck med temperaturen?

Seebeck-koefficientvärdet är positivt över det uppmätta temperaturintervallet, vilket visar p-typ prestanda och det stiger med temperaturökningen. Den elektriska ledningsförmågan ökar när temperaturen ökar, vilket indikerar halvledarprestanda.

Vad är Meissner-effekten och hur används den vid magnetisk levitation?

Denna effekt tillåter magnetisk levitation genom att få bra ledare att hålla borta ett magnetfält när de blir supraledande. När ledaren väl har kylts under sin kritiska temperatur, skjuts magnetfält ut för att skapa den svävande effekten.

Vad är Meissner-effekten som visar att supraledare är perfekta diamagnetiska material?

Supraledare inom Meissner-tillståndet visar ideal diamagnetism (eller) superdiamagnetism vilket innebär att supraledaren har en magnetisk känslighet -1.

Detta är alltså en översikt över Meissner-effekten , härledning, skillnader och dess tillämpningar. Detta är magnetfältets utstötning från övergången av supraledare till ett supraledande tillstånd under en kritisk temperatur. Denna effekt inom supraledning involverar generering av elektrisk ström på ytan som skapar ett motmagnetiskt fält för att negera magnetiska fält utanför. Här är en fråga till dig, vad är en supraledare?